PDF

Size: px

Start display at page:

Download "PDF"

지창 서문
6 years ago
Views:

1 회생제동및 EWB/EMB 시스템신뢰성평가용 Test Bench 개발 전광기 *1) 황현수 1) 최성진 1) 최정훈 2) 황성호 2) 박희람 3) 최세범 3) 자동차부품연구원차체샤시기술연구센터 1) 성균관대학교기계공학과 3) 한국과학기술원기계공학과 3) Development of Test Bench for Reliability Evaluation for EWB/EMB with Regenerative Brake Kwangki Jeon *1) Hyunsoo Hwang 1) Sungjin Choi 1) Junghoon Choi 2) Sungho Hwang 2) Heeram Park 3) Seibum Choi 3) 1) Body & Chassis System Research Center, KATECH, 74 Yongjung-ri, Pungse-myun, Cheonan, Chungnam, , Korea 2)School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 300 Chunchun-dong, Suwon, , Korea 3)Department of Mechanical Engineering, KAIST, 335 Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon , Korea Abstract : The key technology which can enlarge the energy efficiency in green cars such as hybrid electric vehicle, fuel cell electric vehicle and pure electric vehicle is the regenerative braking. Electronic brake systems which can be easily controlled with the regenerative brake system have been developed along with the advance of the electronic control technology. The reliability of the electronic braking system is very important because the braking system is concerned with the safety of vehicle directly and the functional safety of the electronic braking system is becoming the important issue due to the ISO But the test standard is not sufficient yet, so the researches to make a new test standard regarding to the electronic brake system and regenerative braking system are increasing. The design of test bench to test reliability and performance of electronic brake system as well as regenerative brake system was proposed in this study. Key words : Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV, 연료전지자동차 ), Reliability( 신뢰성 ), Regenerative Braking( 회생제 동 ), Electronic Wedge Brake(EWB, 전자쐐기제동장치 ), Eletro-Mechanical Brake(EMB, 전기기계식제동장치 ), Brake-by-Wire(BBW, 전자제동시스템 ), Test Bench( 테스트벤치 ) 1) Nomenclature Ÿ : clamping force, N : test bench inertia, kg m 2 : vehicle mass, kg : tire radius, m : braking torque, Nm : disk-pad friction coefficient, - : effective disk radius, m * 전광기, kkjeon@katech.re.kr 1. 서론최근하이브리드전기자동차, 연료전기자동차, 전기자동차등과같은그린카에대한정부와소비자들의관심이높아지고있으며, 이러한수요를충족시켜주기위해전세계거의모든자동차메이커들은그린카연구개발을활발히진행하고있다. 이러한그린카에서에너지효율을높이는가장중요한기술중하나로제동시운동에너지를전기

에너지로저장하는회생제동이있다. 이와함께전자제어기술의발달로브레이크시스템에서도 EMB(Electro-Mechanical Brake), EWB(Electronic Wedge Brake) 와같은전자식브레이크시스템에대한연구가활발히이루어지고있다. 브레이크시스템은탑승자의안전에직접적인영향을미치는장치로서신뢰성이매우중요하다.

본연구에서는전자브레이크시스템과회생제동시스템을대상으로기본성능, 기능성안전및신뢰성을시험하고검증하기위한 test bench의설계및구축방법을제안하였으며, 이를이용한기본성능시험을수행하였다. 이크시스템의모사를위해 Fig. 1과같이 test bench 를구성하였다.

2 에너지로저장하는회생제동이있다. 이와함께전자제어기술의발달로브레이크시스템에서도 EMB(Electro-Mechanical Brake), EWB(Electronic Wedge Brake) 와같은전자식브레이크시스템에대한연구가활발히이루어지고있다. 브레이크시스템은탑승자의안전에직접적인영향을미치는장치로서신뢰성이매우중요하다. 2010년초기 Toyota의가속페달과제동장치결함에따른리콜사태는자동차부품신뢰성의중요도를입증하고있다. 최근 ISO 26262와같이전자장치가도입되는자동차시스템의기능성안전및신뢰성검증을위한규정이마련되어개발초기단계부터최종생산단계까지전과정에서제품의기능성안전과신뢰성을보장하기위한노력이자동차업계에서시도중에있다. 본연구에서는전자브레이크시스템과회생제동시스템을대상으로기본성능, 기능성안전및신뢰성을시험하고검증하기위한 test bench의설계및구축방법을제안하였으며, 이를이용한기본성능시험을수행하였다. 이크시스템의모사를위해 Fig. 1과같이 test bench 를구성하였다. 대상차량과같이구동부인모터에서부터구동축, 제동디스크, 구 / 제동부하 inertia 순으로대상차량에서의구동및제동에너지의흐름에부합되도록 test bench가설계되었다. 회생제동이아닌순수기계적제동력을측정하기위해구동모터와디스크브레이크사이전자식클러치를배치하여기계식브레이크를사용하여제동력측정시에는전자식클러치제어를통해동력을해제할수있도록하였다. Fig.2는구축된 test bench 의실제모습이다. Fig. 1 Sketch of the test bench 2. Test B ench 개발 2.1 Test Bench 구성 대상연료전지차량의제원은 Table 1과같다. 100 kw 급모터를사용하여구동및회생제동을하는 SUV급차량으로전륜 EWB 후륜 EMB 시스템이장착되었다. Fig. 2 Picture of the Test Bench Table 1 Specification of the target FCEV vehicle 구분 제원 차량중량 1,950.5 kg 타이어반지름 m 기어비 모터용량 100 kw 모터최대토크 300 Nm 대상차량전륜한휠의구동, 회생제동및브레 2.2 Test Bench 기구부 Test bench 의구동및제동부하인 inertia 는식 (1) 을통해구할수있다. 전후륜의하중비인 7:3에따라전체차량 inertia의전륜한축의비인 7/20을취하여전륜한휠의 inertia를구할수있다. Ô á Ï Ï (1) 식 (1) 을통해구해진대상차량의전륜한휠의 inetia 값을 Fig. 3 과같이상용동역학시뮬레이션프

로그램인 AMESim과차체샤시의동적거동이포함된 CarSim 해석모델을통해검증하였다. 세가지해석모델에동일초기속도및동일제동토크조건에서속도비교그래프를 Fig. 4에나타내었다. 또한추후다른차종의시험을위해 inertia를 3 등분하여승용차및소형전기차등에대해서도시험이가능하도록설계하고제작하였다. Fig. 5 Performance torque curve of servo motor 2.

3 Commercial analysis models to verify inertia Test bench 제어를위해 host PC 1대, target PC 2 대, ECU interface box, power box, auto BOB (Auto brake out box), UPS 및 power supply로구성된 control rack이구성되었다.

3 로그램인 AMESim과차체샤시의동적거동이포함된 CarSim 해석모델을통해검증하였다. 세가지해석모델에동일초기속도및동일제동토크조건에서속도비교그래프를 Fig. 4에나타내었다. 또한추후다른차종의시험을위해 inertia를 3 등분하여승용차및소형전기차등에대해서도시험이가능하도록설계하고제작하였다. Fig. 5 Performance torque curve of servo motor 2.3 Test Bench 제어부 Fig. 3 Commercial analysis models to verify inertia Test bench 제어를위해 host PC 1대, target PC 2 대, ECU interface box, power box, auto BOB (Auto brake out box), UPS 및 power supply로구성된 control rack이구성되었다. 각구성품의역할은 Table 2에나열되었으며, Fig. 6은구축된 control rack이다. Table 2 Components of the control rack. Fig. 4 Comparison of speeds along with each model 대상연료전지자동차의구동모터용량은 100 kw이며, 전륜한축의해당하는모터의용량은 50 kw이다. 그러나국내제동패턴의 90% 이상은 0.3g 이하, 80kph 이하에서제동이이루어진다. 이중최대 0.15g를회생제동이감당한다고가정시 80kph에서의 0.15g 회생제동을출력으로환산하면 32 kw이다. 현재서보모터로수급가능한 30kW급서보모터를구동및회생제동의모사를위한모터로선정하였다. Fig. 5는 test bench에적용된서보모터의토크출력곡선이다. 구분 Host PC Target PC ECU Interface Power Box Auto BOB UPS (Uninterruptible power supply) Power Supply 역할 Target PC 제어 Data 저장실시간차량해석 Test Bench 제어신호생성 Data 획득 EWB/EMB 제어기 Interface ECU, 차량 Actuator 및센서전원공급자동전선 open/short 고장구현무정전예비전력장치 ( 정전시파워공급 ) 12V 및 24V 전원제공

회생제동협조제동을시험하기전에회생제동자체의성능을평가하기위하여협조제동의제어 off 상태에서회생제동에대한성능및고장에따른성능및오작동시험을실시한다. 정적및동적시험을통해성능이검증된 EMB 시스템과회생제동시스템의협조제어상황에서각각의성능및고장에따른오작동여부시험을실시한다.

4 회생제동협조제동을시험하기전에회생제동자체의성능을평가하기위하여협조제동의제어 off 상태에서회생제동에대한성능및고장에따른성능및오작동시험을실시한다. 정적및동적시험을통해성능이검증된 EMB 시스템과회생제동시스템의협조제어상황에서각각의성능및고장에따른오작동여부시험을실시한다. 이와같이차량에직접장착하여실시하는실차성능시험이전단계에서 EMB 및회생제동의성능및대표적고장에따른오작동여부를 test bench에서성능확인및검증시험을수행할경우, 실차시험에서의위험성을줄이고실차시험의횟수를줄일수있어비용및시간을단축하여경제성을향상시킬수있을것으로기대된다. Fig. 6 Picture of control rack 3. 시험절차본연구에서는구축된 test bench를통하여전자식제동장치가장착되어회생제동과협조제동하는시스템의기본제동성능, 기능성안전및신뢰성평가를위한시험절차를 Table 3과같이정립하였다. Table 3 Reliability test process No. Test Bench를이용한신뢰성평가프로세스 4. 시험결과본연구에서는 EMB를적용한회생제동시스템의신뢰성평가프로세스에서고장을제외한성능시험을실시하였다. Static EMB 성능시험단계에서는 EMB의패드위치에따른 clamping force 선도를구하여 Fig. 7에도시하였고, EMB 위치명령에따른 clamping force step input response 성능을구하여 Fig. 8에도시하였 다. 1 Static EMB 성능및고장시험 2 Dynamic EMB 성능및고장시험 3 회생제동단독제동성능및고장시험 4 회생제동 + EMB 협조제동성능및고장시험 5 온도및내구등신뢰성시험 우선 static EMB 테스트지그를통하여 EMB의기초성능인 clamping force 형성성능을평가하는동시에시스템 FMEA를통해개발된고장시나리오에따라고장에따른성능및오작동시험을수행한후, 이를차량의구 / 제동부하에적용하여회전하는디스크상에서의성능시험과고장에따른성능및오작동시험을한다. Fig. 7 Clamping force along with EMB pad position at static test

5 와같고, Fig. 7에서도시한 EMB 위치에따른 clamping force 선도와 Fig. 11에서도시한 EMB 위치에따른제동토크선도를확인한결과실험적으로밀접한상관관계가있음을확인할수있었다. á Ÿ (2) Fig. 8 EMB step input response at static test 차량의구제동부하가포함된 dynamic EMB 성능시험단계에서는차량초속도 40kph에상응하는휠속도에서각각의 EMB 위치에따른제동성능시험을수행하였다. Dynamic EMB 성능시험에서측정된휠속도및제동토크를 Fig. 9와 Fig. 10에도시하였다. Fig. 11 Braking torque along with the EMB pad position at dynamic test Fig. 12는 dynamic EMB 성능시험단계에서측정된 EMB 위치제어명령에따른 step input response 결과를나타낸다. Fig. 9 Comparison of speeds along with the EMB pad position Fig. 12 EMB step input response at dynamic test Fig. 10 Comparison of braking torque at dynamic jig 또한, EMB 제동이배제된회생제동성능시험단계에서는 Fig. 13과같이차량속도 40kph에상응하는초속도에서회생제동토크에따른감속도를구하여도시하였고, Fig. 14는이때측정된각각의회생제동토크를나타낸다. Clamping force 와제동토크와의관계식은식 (2)

6 Fig. 13 Comparison of speed along with the regenerative braking torque at dynamic test Fig. 14 Comparison of regenerative braking torque 회생제동과 EMB의협조제동성능시험단계에서는회생제동이우선적으로최대한수행되도록하는간단한회생제동협조제어로직과차량속도, 모터요구파워등에따른회생제동제한로직이포함되었다. Fig. 15의 (1) 은차량속도, (2) 는회생제동토크및회생제동과 EMB 제동토크합산값, (3) 은이때의 EMB 위치명령을각각나타낸다. 제동초기에는요구감속도가회생제동가능량과비슷하여초기에는회생제동만으로대부분의제동을수행하였고 EMB는간극이최소한의위치에서대기함을알수있다. 또한회생제동제한로직에따라차량속도가 15kph 이하로감속될때부터회생제동력이줄어들어 10kph 이하에서는 EMB에의해서만감속됨을확인하였다. Fig. 15 (1) Speed, (2) Regenerative braking torque and total braking torque, (3) EMB Position Fig. 15 의 (2) 번그래프에서회생제동이정지되고 EMB 제동이발생되기시작하는제동천이구간에서토크변동이크게발생함을확인하였다. 이는회생제동을정지하고 EMB를작동시키는순간각시스템의응답특성이달라생기는것으로승차감에악영향을주는인자이다. 향후이러한제동천이구간에서의제동이질감을줄이는노력이필요할것으로판단된다. 5. 결론 본연구에서는 EMB/EWB 와회생제동이적용되

7 는그린카를대상차량으로전자제동시스템의제동성능, 기능성안전및신뢰성등의평가를위한 test bench의설계및구축방안을제안하였다. 또한구축된 test bench를통해 EMB 개발시제품의정적, 동적기본제동성능, 회생제동협조제동성능등의시험을수행하였다. 향후 EMB, EWB와같은전자제동시스템과회생제동시스템에대한기능성안전및신뢰성평가를위한상세한시험방법및절차를정립하고, 표준화하기위한연구를진행할계획이다. 후기본연구는지식경제부에서시행한산업원천기술개발사업인 그린카회생제동시스템 과제에의해지원되었습니다. KSAE 2008 conference, ) H. R. Park, S. B. Choi, S. J. Choi, K. K. Jeon, H. S. Hwang, "Adaptive Control of Self-energizing Brake System using Noncircular Gear", KSAE 2010 conference, ) J. M. Aan, G. S. Cho, I. S. Choi, M. H. Roh, S. m. Choi, "A Study on Development of Safety Evaluation Technique of Regenerative Braking System", KSAE conference, ) K. G. Chang, H. S. Choi, Y. W. Kim, Y. B. Lee, "Development of the Military In-Wheel Motor Dynamometer for a HEV", KASE annual conference, 2008 References 1) J.K. Ahn, K.H. Jung, D.H. Kim, H.B. Jin, H.S. Kim, S.H. Hwang, "Analysis of A Regenerative Braking System for Hybrid Electric Vehicles Using An Electro-Mechanical Brake", International Journal of Automotive Technology, Vol 10, No. 2, pp. 229~234, ) K. K. Jeon, H. S. Hwang, S. J. Choi, D. H. Yang, S. H. Hwang, H. R. Park, S. B. Choi, "Development of Reliability Evaluation Technology for Green Car Regenerative Braking System PART-(1)", KSAE 2010 spring conference, ) R. Roberts, B. Gombert, H. Hartmann, D. Lange, M. Schautt, "Testing the Mechatronic Wedge Brake", SAE Technical paper series , ) C. H. Jo, S. M. Lee, H. S. Kim, "Analysis of Braking Performace for a Vehicle with Front EWB and Rear EMB", KSAE 2009 conference, pp. 1267~1272, ) S. M. Lee, C. H. Jo, H. L. Song, Y. S. Cho, I. S. Kim, D.Y. Hyun, H. S. Kim, "Analysis of Braking Performance for Electro-Wedge Brake System", KSAE 2009 conference, pp. 641~646, ) S. Y. Kim, S. B. Choi, J. G. Kim, "The Design of Electronic Noncircular Gear Brake and Adaptation Scheme for Pad Friction-coefficient Estimation",

PDF

PDF 전자브레이크를적용한연료전지자동차회생제동시스템의신뢰성평가기술개발 PART-(2) 전광기 *1) 황현수 1) 최성진 1) 양동호 2) 황성호 2) 박희람 3) 최세범 3) 자동차부품연구원차체샤시기술연구센터 1) 성균관대학교기계공학과 2) 한국과학기술원기계공학과 3) Development of Reliability Evaluation Technology for FCEV